模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第第1章章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.2二極管組成的基本應(yīng)用電路二極管組成的基本應(yīng)用電路1.31.1.1 1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，如硅、鍺、導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，如硅、鍺、硒、砷化鎵等。硒、砷化鎵等。 常用的半導(dǎo)體材料是硅（常用的半導(dǎo)體材料是硅（SiSi）和鍺（）和鍺（GeGe），它們都是），它們都是4 4價元素，價元素，原子的最外層軌道上都有原子的最外層軌道上都有

2、4 4個價電子個價電子， 完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體。 由于熱運(yùn)動，具有足夠能量由于熱運(yùn)動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子。而成為自由電子。自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴。留有一個空位置，稱為空穴。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態(tài)平衡動態(tài)平

3、衡 本征激發(fā)本征激發(fā) 復(fù)合復(fù)合運(yùn)載電荷的粒子稱為運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子載流子，半導(dǎo)體中有半導(dǎo)體中有兩種載流子參與導(dǎo)電兩種載流子參與導(dǎo)電 。外加電場時，外加電場時，自由電子作定向運(yùn)動形成自由電子作定向運(yùn)動形成 電子電流電子電流。 價電子遞補(bǔ)空穴的運(yùn)動形成價電子遞補(bǔ)空穴的運(yùn)動形成 空穴電流?？昭娏?。 總電流是總電流是電子電流電子電流和和空穴電流空穴電流之和。之和。 1.1.2 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。 1.N1.N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素，例如磷，砷等

4、，稱為在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素，例如磷，砷等，稱為N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 5磷（磷（P P）多數(shù)載流子多數(shù)載流子自由電子自由電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子空穴空穴施主原子施主原子N N型半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)型半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，電子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。越多，電子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。 2.P2.P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素，例如在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素，例如硼、鎵硼、鎵等，稱為等，稱為P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 多數(shù)載流子多數(shù)載流子空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子3硼（硼（B）受主原子受主原子P P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)型半導(dǎo)體主

5、要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。少子濃度少子濃度與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)多子濃度多子濃度與溫度無關(guān)與溫度無關(guān)1.1.3 PN1.1.3 PN結(jié)結(jié)1.PN1.PN結(jié)的形成結(jié)的形成物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動P區(qū)空穴濃區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于度遠(yuǎn)高于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電子區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。區(qū)。 擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。因內(nèi)電場作用所產(chǎn)

6、生的因內(nèi)電場作用所產(chǎn)生的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。 參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了成了PN結(jié)。結(jié)。漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動 由于擴(kuò)散運(yùn)動使由于擴(kuò)散運(yùn)動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動。區(qū)運(yùn)動。2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦裕? 1）PNPN結(jié)外加正向電壓結(jié)外加正向電壓 PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：結(jié)加正向電壓導(dǎo)

7、通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦裕? 2）PNPN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓 PN結(jié)加反向電壓截止：結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形成耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。3. PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)PNPN結(jié)具有一個與此等效的電容，稱之為結(jié)電容。結(jié)具有一個與此等效的電容，稱之為結(jié)電容。 結(jié)電容一般都

8、很小，結(jié)面積小的約結(jié)電容一般都很小，結(jié)面積小的約1pF左右，結(jié)面積大左右，結(jié)面積大的大約的大約幾十至幾百幾十至幾百pF。 對于低頻信號呈現(xiàn)很大的容抗，其作用可以忽略不計，對于低頻信號呈現(xiàn)很大的容抗，其作用可以忽略不計，只有在信號頻率較高時才考慮結(jié)電容的影響。只有在信號頻率較高時才考慮結(jié)電容的影響。 若若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕〗Y(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕?.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)和類型二極管的結(jié)構(gòu)和類型將將PNPN結(jié)加上兩個電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上兩個電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。 小功率小功率二

9、極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管點(diǎn)接觸型：點(diǎn)接觸型：它的它的PNPN結(jié)面積很小，因此不能通過較大電流，但由于結(jié)電容小，結(jié)面積很小，因此不能通過較大電流，但由于結(jié)電容小，能在高頻下工作，故一般適用于高頻檢波和小功率的工作，也用作能在高頻下工作，故一般適用于高頻檢波和小功率的工作，也用作數(shù)字電路中的開關(guān)元件。數(shù)字電路中的開關(guān)元件。 面接觸型：面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故可通過較大電流，適用于低頻及大結(jié)面積大，結(jié)電容大，故可通過較大電流，適用于低頻及大功率整流電路中。功率整流電路中。平面型：平面型：它用二氧化硅作保護(hù)層，使它用二氧化硅作保護(hù)層，使PN結(jié)不

10、受污染，從而大大減小了結(jié)不受污染，從而大大減小了PN結(jié)兩端的漏電流。因此，它的質(zhì)量較好，批量生產(chǎn)中產(chǎn)品性能比結(jié)兩端的漏電流。因此，它的質(zhì)量較好，批量生產(chǎn)中產(chǎn)品性能比較較致。其中致。其中PN結(jié)面積大的可用作大功率整流和調(diào)整管，結(jié)面積大的可用作大功率整流和調(diào)整管，PN結(jié)面積小結(jié)面積小的可作高頻管或高速開關(guān)管。的可作高頻管或高速開關(guān)管。 材料材料開啟電壓開啟電壓導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾幾十十A 1.2.2 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的

11、關(guān)系稱為伏安特性。開啟開啟電壓電壓反向飽和反向飽和電流電流擊穿擊穿電壓電壓) 1(TVvSeIi二極管的電流方程：二極管的電流方程：常溫下（常溫下（T=300K），）， VT26mV。 vVonV(BR)從二極管的伏安特性可以看出從二極管的伏安特性可以看出：1.單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦? 1e (TSVvIi正向特性為指正向特性為指數(shù)曲線數(shù)曲線TeSTVvIiVv，則若正向電壓STIiVv，則若反向電壓反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線2.伏安特性受溫度影響性伏安特性受溫度影響性T（）在電流不變情況下導(dǎo)通電壓在電流不變情況下導(dǎo)通電壓Von 反向飽和電流反向飽和電流IS，V(BR) T（）

12、正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移增大增大1倍倍/10 1.2.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) (1) 最大整流電流最大整流電流IFM二極管長期連續(xù)工二極管長期連續(xù)工作時，作時，允許通過的最大正允許通過的最大正向平均電流。向平均電流。 (2) 最高反向工作電壓最高反向工作電壓VRM保證二極管不被保證二極管不被反向擊穿而允許外加的反向擊穿而允許外加的最大反向電壓。最大反向電壓。 (3) 反向飽和電流反向飽和電流IS 是管子未擊穿時的反向電流值。是管子未擊穿時的反向電流值。IS越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。硅二極管的反向電流一般在納安硅二極管的

13、反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安級；鍺二極管在微安( A)級。級。 (4) 最高工作頻率最高工作頻率fM fM是是二極管工作的上限頻率。超過此值，由于結(jié)電容的作用，二極管二極管工作的上限頻率。超過此值，由于結(jié)電容的作用，二極管的單向?qū)щ娦詫⒉荒芎芎玫捏w現(xiàn)。的單向?qū)щ娦詫⒉荒芎芎玫捏w現(xiàn)。fCZC21C+- 當(dāng)當(dāng)f f 很高時，很高時， ZC很小，電容近似短路，二極管很小，電容近似短路，二極管失去單向?qū)щ娮饔?。失去單向?qū)щ娮饔?。C 1.2.4 二極管的等效模型二極管的等效模型1. 實(shí)用模型實(shí)用模型近似分析近似分析中最常用中最常用導(dǎo)通時導(dǎo)通時VDVon截止截止時時IS02. 理想模型理想

14、模型理想理想二極管二極管理想開關(guān)理想開關(guān)導(dǎo)通時導(dǎo)通時 VD0截止時截止時IS0應(yīng)應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效模型！根據(jù)不同情況選擇不同的等效模型！3. 低頻小信號交流等效模型（低頻小信號交流等效模型（微變等效電路微變等效電路） 當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。vi=0時直流電源作用時直流電源作用小信號作用小信號作用vDviDDdivrDDdvir1DDdudi) 1(eTSVvDDIiDVVSdveIdTD)1(TDVvTS

15、eVITDVvSTeIV1) 1(1TDVvSTeIVTDVI)()(26mAImVIVrDDTdQ點(diǎn)越高，點(diǎn)越高，rd越小。越小。靜態(tài)電流靜態(tài)電流 1.2.5 其它類型二極管其它類型二極管1. 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管。穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管。由于它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，由于它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故簡稱穩(wěn)壓管。故簡稱穩(wěn)壓管。 進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流（1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓VZ穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管

16、的主要參數(shù): : 穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管在正常工作時管子兩端的電壓。穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管在正常工作時管子兩端的電壓。 （2）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流IZ（3 3）電壓溫度系數(shù)）電壓溫度系數(shù)IZ是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時的參考電流。電流小于此值，穩(wěn)壓管的是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時的參考電流。電流小于此值，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓效果變差，電流大于此值，只要不超過額定功耗，電流越大，穩(wěn)穩(wěn)壓效果變差，電流大于此值，只要不超過額定功耗，電流越大，穩(wěn)壓效果越好。壓效果越好。表示溫度每變化表示溫度每變化1，穩(wěn)壓值的變化量。這是說明穩(wěn)壓值受溫度變化，穩(wěn)壓值的變化量。這是說明穩(wěn)壓值受溫度變化影響的參數(shù)。影響的參數(shù)。 （4 4）動態(tài)電阻動態(tài)電

17、阻rzrzVZ /IZ（5）最大允許耗散功率）最大允許耗散功率PZMPZM IZM VZ2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦砸簿哂袉蜗驅(qū)щ娦浴Ｖ挥挟?dāng)外加的正向電壓使得正向。只有當(dāng)外加的正向電壓使得正向電流足夠大時才發(fā)光，它的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的電流足夠大時才發(fā)光，它的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的在在1.61.8V之間，綠色的約為之間，綠色的約為2V。 發(fā)光二極管導(dǎo)通以后（有電流通過），能發(fā)出紅、黃、綠、橙等發(fā)光二極管導(dǎo)通以后（有電流通過），能發(fā)出紅、黃、綠、橙等不同顏色的光，發(fā)光顏色取決于管子所用的材料。不同顏色的光，發(fā)光顏色取決于管子所用的材料。 3

18、光電二極管光電二極管 光電二極管是遠(yuǎn)紅外線接收管，是一種光電轉(zhuǎn)換器件。光電二極管是遠(yuǎn)紅外線接收管，是一種光電轉(zhuǎn)換器件。 它的結(jié)構(gòu)與它的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，但在它的結(jié)二極管類似，但在它的PN結(jié)處，通過管殼上的一結(jié)處，通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照，并將接收到的光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換個玻璃窗口能接收外部的光照，并將接收到的光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電流的變化。成電流的變化。這種器件正常工作時，這種器件正常工作時， PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，它的反向電流會隨光照強(qiáng)度（照度）的增加而增加。它的反向電流會隨光照強(qiáng)度（照度）的增加而增加。 4. 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是根據(jù)二極管外

19、加反向電壓時，其變?nèi)荻O管是根據(jù)二極管外加反向電壓時，其等效電容隨外加反等效電容隨外加反向電壓的變化而變化向電壓的變化而變化的特性制成的一種半導(dǎo)體器件的特性制成的一種半導(dǎo)體器件,相當(dāng)于壓控電相當(dāng)于壓控電容。容。 1.2.6 二極管組成的基本應(yīng)用電路二極管組成的基本應(yīng)用電路例例1.2.1 如圖如圖1.2.8所示電路，所示電路，R=1k，VREF=3V，二極管為硅管。，二極管為硅管。分別用理想化模型和實(shí)用化模型求解以下兩問：（分別用理想化模型和實(shí)用化模型求解以下兩問：（1）vI=0V、3.3V、5V時，求出相應(yīng)的輸出電壓值；（時，求出相應(yīng)的輸出電壓值；（2）當(dāng)）當(dāng)vI=6sint(V)時，畫出相時

20、，畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。應(yīng)的輸出電壓波形。 解：解：（1）vI（V）03.35(理想模型理想模型)二極管狀態(tài)二極管狀態(tài)vO(V） (實(shí)用模型實(shí)用模型)二極管狀態(tài)二極管狀態(tài)vO(V）00333.33.7截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通1. 限幅電路限幅電路（2）理想模型理想模型當(dāng)當(dāng)vI=6sint(V)時時 當(dāng)當(dāng)vI-30，即，即vI3V時，二極管導(dǎo)通，時，二極管導(dǎo)通，這時這時vO=VREF=3V。 當(dāng)當(dāng)vI-30，即，即vI3V時，二極管截止，時，二極管截止， vO=vI 。實(shí)用模型實(shí)用模型當(dāng)當(dāng)vI-30.7V，即，即vI3.7V時，二極管導(dǎo)通，時，二極管導(dǎo)通，這時這時vO=

21、0.7+VREF=3.7V 當(dāng)當(dāng)vI-30.7V，即，即vI3.7V時，二極管截止，時，二極管截止， vO=vI。二極管導(dǎo)通，二極管導(dǎo)通，vo=v2二極管截止二極管截止, , vo=0v2 0 時時: :v20時時: :v2vovD t 2 3 4 02v2v2. 整流電路整流電路半波整流電路半波整流電路全波整流電路全波整流電路+原理：原理：+變壓器副邊中心抽變壓器副邊中心抽頭，感應(yīng)出兩個相頭，感應(yīng)出兩個相等的電壓等的電壓v2 2當(dāng)當(dāng)v2 2正半周時，正半周時， D D1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D D2 2截止。截止。當(dāng)當(dāng)v2 2負(fù)半周時，負(fù)半周時， D D2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，D D1 1截止。截止。全波整流電壓波形全波整流電壓波形v2vovD1 t 2 3 4 0vD2v I1/Vv I2/Vv O/VD1狀態(tài)狀態(tài)D2狀態(tài)狀態(tài)00055055例例1.2.3導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通0導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止0截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通0截止截止截止截止5解：解： 3. 3. 開關(guān)電路（二極管與門）開關(guān)電路（二極管與門）v I1v I2Y000010100111(1) 輸入保護(hù)輸